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Ce travail de thèse est principalement axé sur la création d’un nouveau réacteur biocompatible permettant l’encapsulation et l’étude de bactéries électroactives. Ce compartiment de taille millimétrique, réalisé par coextrusion, est une capsule à cœur liquide possédant une membrane d’hydrogel conducteur. La synthèse de ce bioréacteur a nécessité la formulation d’un hydrogel composite alginate/nanotubes de carbone en deux étapes. Une première étape rapide crée la matrice d’hydrogel par diffusion d’ions divalents dans un mélange Alginate/nanotubes de carbone. Une seconde étape, plus lente, permet la dialyse du tensioactif stabilisant les nanotubes et la création d’un réseau conducteur au sein de l’hydrogel pour des pourcentages massiques de charges supérieurs à 0,5 %. Ce matériau composite présente alors une conductivité macroscopique d’environ 0,1 S.m^-1. Une étude du matériau par voie électrochimique permet entre autres de suivre cinétiquement la connexion des nanotubes de carbone. Des bactéries peuvent adhérer à la surface de cet hydrogel composite. Nous démontrons qu’il est alors possible de mesurer l’électroactivité d’un biofilm bactérien développé sur la paroi interne d’une capsule conductrice. Ce nouveau compartiment biocompatible ouvre la voie vers le développement d’un outil de criblage pour la sélection de bactéries électroactives mais offre également des perspectives innovantes pour la fabrication de piles bactériennes.

L’objectif de cette theÌ€se est la formation de capsules submillimétriques aÌ€ cœur aqueux pos- sédant une membrane fine d’hydrogel d’alginate. Ces capsules, biocompatibles, peuvent trouver des applications dans les biotechnologies. Elles sont formées par fragmentation d’un jet composé d’un cœur aqueux et d’une coque d’alginate. L’étude du co-écoulement au sein de l’injecteur a montré l’existence d’une instabilité élastique en présence de cations, souvent présents dans les milieux de culture cellulaire. L’alginate est un polyélectrolyte et les cations modifient ses propriétés viscoélastiques. Nous avons montré que cette instabilité était aÌ€ l’ori- gine d’un battement du jet composé en sortie d’extrusion. En provoquant un décentrage du cœur, l’instabilité induit une relaxation asymétrique du profil de vitesse, ce qui crée un couple qui courbe le jet. Nous avons mis en évidence cet effet en produisant des jets courbés aÌ€ partir d’une pointe biseautée. La viscosité du fluide utilisé fixe alors le degré d’asymétrie. La frag- mentation du jet est ensuite controÌ‚lée graÌ‚ce aÌ€ un actuateur piézoélectrique. Nous mesurons une décroissance de la vitesse d’onde aÌ€ la surface du jet due aux faibles valeurs du nombre de Weber, ainsi qu’une dispersion de cette vitesse qui s’amplifie. La formation de chapelets de gouttes et de faibles variations de distances entre gouttes sont aÌ€ l’origine de cette amplification. L’ajout de tensioactifs peut exacerber cet effet en induisant une tension de surface dynamique aÌ€ la surface du jet. Finalement, nous parvenons aÌ€ produire des capsules submillimétriques de taille controÌ‚lée, monodisperses, possédant une membrane fine, avec un taux d’encapsulation supérieur aÌ€ 99%.

Cette thèse, menée en collaboration avec Michelin dans le cadre de la fabrication de matériaux composites, porte sur la stabilité colloïdale du latex de caoutchouc naturel (NR). Ce latex est une dispersion colloïdale polydisperse d’un polymère naturel dans un sérum aqueux. Les particules sont stabilisées par une couche complexe de phospholipides et de protéines. Cette dispersion peut être coagulée de façon irréversible par voie physique (sous cisaillement) ou par voie physico-chimique (ajout de cations divalents ou de particules hydrophobes). Dans ce travail, nous avons étudié la coagulation du latex par les cations divalents. Pour cela nous avons utilisé des outils physico-chimiques : diagrammes de stabilité en présence de divers cations, suivi cinétique de l’agrégation des particules et mesures rhéologiques. Ensuite, nous avons sondé la surface de particules de NR, par électrophorèse, en présence de tensioactifs et aussi selon la taille des particules. Pour expliquer la coagulation, nous suggérons que l’augmentation de la force ionique écrante les interactions répulsives et que les cations forment des ponts ioniques entre les particules. Ces ponts les maintiennent au contact et l’irréversibilité du phénomène est assurée par l’adhésion entre les chaines de polymères proches de la surface. L’adsorption des tensioactifs modifie la surface des particules et la coagulation du latex. Une légère différence de charge de surface a été observée entre les particules de NR selon leur taille. Enfin, un phénomène de coagulation similaire a été obtenu avec un latex synthétique, ce qui ouvre la voie à l’exploitation industrielle de ce phénomène de coagulation.
 

Les colloïdes sont utilisés dans de nombreuses applications médicales tels les agents de contraste en IRM ou l'immuno-agglutination magnétique dans le diagnostic. Pour en améliorer leurs performances, l'interaction entre les particules et les milieux biologiques – en particulier les protéines – a été étudiée depuis plus de 150 ans ; mais ce phénomène n'est toujours pas correctement décrit.
La première partie de cette thèse est dédiée à une des applications des colloïdes : la détection de protéines cible. Basée sur l’orientation d’agrégats magnétiques anisotropes, une nouvelle méthode a été mise au point, permettant de mesurer un signal d'agrégation uniquement proportionnel à la quantité de protéines à doser, la limite de détection est donc abaissée. Cette technique a été validée sur un système réel : la protéine C-réactive.
La seconde partie de cette thèse est consacrée à l’adsorption des protéines sur les colloïdes. Le premier objectif a été la mise au point d'un protocole de mesure capable de fournir des données fiables ; l'adsorption a ainsi pu être caractérisée sur un système modèle, l'albumine de sérum bovin sur la silice. Les mesures obtenues ont ainsi permis de lever certains paradoxes et de proposer un nouveau modèle d’adsorption.
Enfin, ces  connaissances ont permis de comprendre comment des protéines, en s’adsorbant sur deux particules, agrègent les colloïdes. En quantité suffisante, elles peuvent également les protéger de l’agrégation, ouvrant la voie à une nouvelle méthode de stabilisation des particules.

Les bactéries jouent un rôle majeur dans notre environnement. Leur omniprésence vient de leur remarquable capacité d’adaptation. Mieux comprendre cette adaptabilité peut permettre de mieux les combattre ou mieux les utiliser. La diversité des phénotypes au sein d’une population, c'est-à-dire les différents caractères observables, et les mécanismes de diversification sont les ingrédients de l’adaptabilité des bactéries. Pour étudier l’adaptation, nous avons suivi l’évolution temporelle de la diversité au sein de populations d’Escherichia Coli lors de changements environnementaux. Nous obtenons une image de la diversité grâce à un outil de phénotypage en millifluidique qui permet d’acquérir les courbes de croissances de mille bactéries en parallèle. À travers trois exemples nous montrons la pertinence de cette approche pour lire les phénotypes d’une population et nous explorons les rôles de la diversification et de la sélection darwinienne sur les dynamiques d’adaptation observées. La variation de phase du gène ag43 et l’exposition à une concentration non létale d’antibiotique illustrent une première phase de l’adaptation régie par la compétition entre les phénotypes dont les probabilités d’apparition sont les plus élevées. Enfin nous étudions pendant trente jours l’adaptation d’une population dans un environnement épuisé. Nous observons une convergence vers un phénotype à quinze jours. Ce déterminisme est commun aux trois exemples. En revanche, la suite de cette expérience est imprédictible : l’observation est différente pour chaque répétition. Une seconde phase d’adaptation se joue, elle est dominée par l’apparition rare de mutations bénéfiques.

Ce travail de thèse concerne l'étude des propriétés physico-chimiques de capsules millimétriques à cœur liquide possédant une membrane fine d'hydrogel d'alginate.
Nous avons dans un premier temps caractérisé le transport de molécules à travers la coque d'hydrogel et estimé le rayon de coupure de cette membrane semi-perméable. De plus, il est possible de limiter la fuite de petits solutés hydrophiles en ajoutant une couche hydrophobe entre le cœur aqueux et la membrane d'alginate. Nous démontrons alors que le temps caractéristique de fuite est déterminé par la géométrie du système (épaisseur de la couche hydrophobe et rayon de la capsule) ainsi que la solubilité et le coefficient de diffusion du soluté dans la phase huileuse.
D'autre part, le gonflement d'une capsule soumise à une différence de pression osmotique nous a permis d'identifier les régimes viscoélastique et viscoplastique de la membrane sous étirement. Nous en déduisons un module élastique de l'hydrogel, qui diminue au-delà du seuil de plasticité. A contrario, lors de la compression de capsules, l'hydrogel est concentré par expulsion irréversible de l'eau, ce qui entraîne une rigidification de sa structure.
Enfin, nous nous sommes intéressés à l'écoulement d'une suspension concentrée de capsules à coeur huileux dans l'eau. Il existe une friction entre les capsules qu'il est possible de contrôler par ajout de tensioactif. Nous avons donc étudié son rôle dans l'écoulement de capsules dans une constriction de type sablier. Ainsi, nous démontrons que le flux est constant et qu'il ne dépend pas de la friction, mais qu'il est fixé par la taille de l'étranglement. En effet, l'écoulement est uniquement déterminé par l'hydrodynamique en phase fluide dans le col du sablier.

Les colloïdes superparamagnétiques sont utilisés dans de nombreuses études pour appliquer une force sur des cellules ou des molécules d’ADN. Dans une première partie, nous explorons le processus physique par lequel ces objets acquièrent une aimantation leur permettant d’exercer des forces. Nous montrons comment la présence de quelques gros grains ferromagnétiques dans les colloïdes leur permet de s’orienter dans un champ externe. La robustesse de ce modèle est démontrée par sa généralisation à plusieurs tailles de colloïdes et sa cohérence avec les propriétés du ferrofluide ayant servi à les fabriquer. Dans une seconde partie, la réaction de filaments d’actine à la pression exercée par des colloïdes superparamagnétiques est étudiée. Nous sondons ainsi le mécanisme par lequel la polymérisation d’actine peut générer les forces à l’origine du phénomène de motilité cellulaire. La maîtrise de l’organisation des filaments autorise à étudier deux situations idéales. Dans l’une les filaments sont très fluctuants, et nous montrons que leur longueur est indépendante de la force appliquée. Ceci n’est plus vrai dans la deuxième situation, où les filaments rigides poussent face à la charge. Nous mesurons ainsi pour la première fois l’eet d’une force sur la vitesse de polymérisation de l’actine. Un modèle numérique de type Brownian ratchet sans partage de la charge permet de décrire la force générée.

L'utilisation des antibiotiques est un procédé curatif très courant (parfois trop), utilisé contre les infections microbiennes. La désinfection d'agents pathogènes est précédée d'études portant sur l'action des antibiotiques à l'égard des bactéries. Les micro-organismes possèdent naturellement une résistance à un sous dosage en antibiotique. Il existe une concentration minimale en antibiotique, relative à chaque espèce microbienne, à partir de laquelle il est possible d'inhiber les organismes. Cette concentration seuil est appelée la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI), c'est un critère essentiel à la détermination de la posologie d'un antibiotique. En ce qui concerne la détermination de la CMI d'un antibiotique sur un organisme, les méthodes de mesures se révèlent fastidieuses à mettre en place, et possèdent une faible résolution. Ces méthodes ont très peu évolué depuis leur création, seules des machineries automatisées ont pu faciliter les manipulations. L'utilisation de ces outils révèle que la CMI d'un antibiotique sur un organisme, dépend de la densité initiale de la population bactérienne. Mais surtout que cette dépendance n'est pas linéaire.

Au cours de ma thèse, nous avons développé un procédé expérimental permettant de mesurer la CMI d'un antibiotique. Le dispositif est fondé sur l'utilisation de la milli-fluidique pour concevoir des gouttes d'émulsion, qui sont les échantillons de mesures gérés de manière automatisée. L'utilisation de cette méthodologie a été réservée à la conception d'un gradient de concentration en antibiotique. Chaque échantillon, d'un train d'un millier de gouttes, contenant une quantité en antibiotique différente de sa voisine.Ce procédé donne la faculté de simplifier l'échantillonnage par rapport aux méthodes usuelles. Il permet de contrôler de manière précise l'environnement direct des cellules, et également d'identifier chaque échantillon. Donnant ainsi la capacité d'observer la dynamique de croissance dans les gouttes, et l'influence des paramètres environnementaux. La machine ainsi utilisée a permis d'affirmer et de compléter les informations de dépendance non linéaire entre la CMI et la densité initiale de cellules pour un couple antibiotique/bactérie.

Nous avons mis au point un système expérimental modèle d'adhésion spécifique entre deux surfaces fluides sur lesquelles diffusent des protéines de type ligand-récepteur. Nous avons notamment voulu relier la mesure d'une énergie d'adhésion macroscopique à son moteur microscopique, la formation de liens spécifiques. Pour mesurer une énergie macroscopique d'adhésion, nous avons utilisé des gouttelettes d'émulsion. Lorsqu'elles adhèrent, les gouttelettes se déforment. Le gain de surface permet d'accéder à l'énergie d'adhésion. Comme moteur de l'adhésion spécifique, nous avons utilisé le couple modèle streptavidine/biotine. Les gouttelettes d'émulsion sont fonctionnalisées avec ces protéines ligantes. Amenées par gravité en présence de bicouches lipidiques supportées fluides dont une fraction des lipides porte les protéines réceptrices, les gouttelettes adhèrent spécifiquement aux bicouches lipidiques. Nous avons mené une étude statique de cette adhésion. Grâce à différentes techniques de fluorescence (épifluorescence, FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy), dosages en retour) nous avons quantifié le nombre de protéines mises en jeu dans nos patches adhésifs afin de le comparer à l'énergie de déformation de la goutte. Nous avons pu observer que l'énergie d'adhésion est proportionnelle à l'énergie d'un lien. Par ailleurs, des mesures en RICM (Reflection Iterference Contrast Microscopy) nous ont permis d'étudier la dynamique de croissance du patch adhésif. Nous avons pu mettre en évidence une croissance diffusive et quasistatique de la zone de contact. En jouant sur les quantités de protéines mises en jeu ainsi que sur leur nature (longueur des liens), nous avons exploré les différentes situations statiques et dynamiques de l'adhésion dans notre système modèle. Nous avons notamment mis en évidence les effets de compressibilité des films adhésifs qui apportent de nouvelles clés pour envisager l'adhésion cellulaire.

Les travaux accomplis au cours de cette thèse au Laboratoire de Colloïdes et Matériaux Divisés résultent d'une volonté de développer et d'utiliser des outils physico-chimiques pour la compréhension de problématiques biologiques. Nous avons choisi comme objet d'étude ce champignon unicellulaire extraordinaire qu'est la levure Saccharomyces cerevisiae. En particulier nous nous sommes intéressés à la fermentation alcoolique à travers la mesure d'un des paramètres du métabolisme : l'énergie de maintenance. Les résultats obtenus s'articulent autour de deux réalisations principales. *** Développement d'un outil de mesure original : Nous avons mis au point un système physico-chimique qui permet de mesurer la polymérisation ou la dépolymérisation au sein de microréservoirs de quelques dizaines de picolitres . Le principe repose sur l'osmose, c'est-à-dire la di usion, à travers une membrane semi-perméable, de solvant entre des réservoirs qui possèdent des potentiels chimiques di érents. Pour réaliser ce système nous avons fabriqué un réseau de gouttes d'émulsion inverse qui constituent des microréservoirs dans lesquels nous avons encapsulé les levures. Les gouttes ont été organisées en un réseau bi-dimensionnel qui nous a permis de suivre des cinétiques de croissance sur un grand nombre d'échantillons (haut débit). Nous avons alors élaboré une nouvelle formulation de l'émulsion afin de rendre les gouttes adhésives entre elles. Ceci nous a permis d'imposer les dimensions et les propriétés de transport à l'intérieur des membranes semi-perméables ainsi formées entre les gouttes en contact. Nous avons alors démontré qu'en imposant des potentiels chimiques constants dans le réseau de gouttes, nous pouvions suivre, à travers l'évolution de leur volumes, la cinétique de processus de polymérisation (création de biomasse dans le cas de la levure) et de dépolymérisation (dans le cas de la lyse enzymatique) qui ont lieu dans des réservoirs. *** Mesure directe de l'énergie de maintenance : Nous avons utilisé notre outil pour mesurer la consommation du glucose par S. cerevisiae lors de la fermentation alcoolique en milieu anaérobie. Nous avons ainsi distingué deux comportements suivant que les cellules se divisent ou qu'elles sont en phase stationnaire. Nous avons développé un modèle qui nous a permis d'expliquer les comportements observés en fonction des paramètres expérimentaux (concentration en sucre, transport) et du métabolisme de la levure. Nous nous sommes alors rendu compte qu'en imposant le réactif limitant nous pouvions mesurer l'énergie de maintenance, c'est-à-dire l'énergie qui n'est pas utilisée pour la division cellulaire. Nous avons enfin mesuré le taux de consommation de glucose pour trois souches différentes. Nous avons ainsi montrer qu'il était possible d'identifier des souches selon leur capacité à métaboliser le glucose. Nous nous sommes alors interrogés sur la possibilité de cribler à haut débit des souches capables de métaboliser des sucres différents. Aussi, nous pouvons envisager, pour augmenter la taille de la librairie à trier, une approche 3D. Les gouttes sont collectées dans une seringue dans laquelle le mûrissement entre les gouttes se produit. Elles sont alors réinjectées dans un microsystème contenant une centaine de zones de tri. Avec un débit d'injection des gouttes de 10kHz, sachant qu'une goutte sur 10 contient une levure, on peut alors cribler une librairie de 108 individus différents en moins de 30 minutes. *** Au total : Le principe de mûrissement des gouttes développé dans cette thèse peut s'appliquer à tout processus qui se traduit par une modification du nombre d'espèces osmotiquement actives. On peut donc envisager de l'utiliser pour un champ vaste d'applications telle que la recherche de nouvelles enzymes de protéolyse. Enfin, nous aimerions attirer l'attention du lecteur sur l'aspect statistique de cette méthode. Elle offre la possibilité d'étudier des processus de sécrétion ou d'assimilation de plusieurs milliers d'individus isolés. Ainsi, des questions telles que la variabilité entre individus vont pouvoir être abordées.

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Les tests de diagnostic ont pour but de détecter et de quantifier un ou plusieurs analytes en milieu complexe. Depuis les années 80, leur évolution s'est concentrée sur la détection de très faibles quantités d'analytes. Actuellement, cette ligne directrice subsiste mais en parallèle les développements se portent sur de nouveaux objectifs comme la mise au point de tests simples, rapides, transportables et sensibles afin de répondre au mieux aux attentes des nouveaux marchés : le point of care et les pays émergents. Au cours de ce travail, nous nous sommes confrontés à ces nouvelles problématiques. Nous avons choisi d'améliorer la sensibilité du test d'agglutination magnétique précédemment développé au laboratoire en raison de sa simplicité (test homogène) et de sa rapidité (manipulation de billes magnétiques). Nous avons montré que deux paramètres conditionnaient le seuil de détection de ce test à savoir le bruit (variabilité du signal sans antigène) et le signal émis par les billes. Le premier facteur dépend principalement du nombre de billes et le deuxième nous a amené à travailler avec de grandes billes nécessitant une nouvelle méthode de détection, la cytométrie en flux. Le gain en sensibilité n'a pas été clairement démontré en raison de la très faible réactivité des billes utilisées (500 fois moins réactives que les billes "habituelles"). Une chose est sûre, de grandes billes améliorent le signal, la cinétique et la thermodynamique au détriment d'une plus faible mobilité des objets sous champ. Sous couvert d'une bonne réactivité, nous nous sommes aperçus que la première étape de notre test d'agglutination devenait thermodynamiquement et cinétiquement limitante aux faibles concentrations en analyte. Dans le cadre du projet européen DetectHIV, nous avons essayé d'une part de franchir ces barrières à travers un système microfluidique et d'autre part de mettre au point un test complètement intégré. De nouvelles technologies ont vu le jour à l'EPFL (plug magnétique) et à DTU (cytométrie sur puce). Le système développé par l'EPFL est thermodynamiquement favorable, valide l'idée de préconcentration mais nécessiterait un nouveau dimensionnement fluidique pour réellement supplanter les tests en volume. L'intégration, quant à elle, a permis d'acquérir un certain savoir faire dans le domaine de la microfluidique, d'identifier les verrous technologiques et de développer un nouveau mode de circulation des fluides. Pour conclure, ce travail a permis de cerner l'évolution possible des tests d'agglutination magnétique. La sensibilité du test originel c'est-à-dire en volume couplé à une détection turbidimétrique est fixée par le bruit de l'appareil de mesure. Ce paramètre étant peu optimisable, seule une augmentation de la taille des billes permettrait d'augmenter significativement la sensibilité du test (un facteur 10 en théorie). Au delà, une détection individuelle des objets via la cytométrie est nécessaire. D'une part, elle permet de travailler avec de gros objets afin d'amplifier grandement le signal et d'autre part, elle permet de s'affranchir du bruit de l'appareil de mesure. Le bruit mesuré est uniquement dû à la comptabilisation des populations, bruit inhérent au test de diagnostic. Avec cette configuration, un gain de sensibilité passe par une diminution du non-spécifique (relatif au comptage des populations) et par une augmentation de la réactivité des "grosses" billes. En dessous de la dizaine de femtomoles, la formation de complexe n'est plus assurée et devient longue, un changement de format fluidique est alors nécessaire. Le nouveau format fluidique testé, la microfluidique, s'avère très prometteur à condition d'intégrer une méthode de détection (cytométrique ou autre) et d'augmenter les débits.

Grâce à la microfluidique, la stabilité et les propriétés de deux types d'émulsions ont pu être sondées. Il s'agit d' émulsions non adhésives et d'émulsions adhésives. Les points importants des différentes thématiques abordées sont résumés dans les paragraphes suivants. – La déstabilisation hydrodynamique d'une émulsion : La fusion de gouttes proches est favorisée par leur séparation. En réalité les gouttes sont localement rapprochées car une dépression se crée lors de leur éloignement. Cela les oblige à former localement des bourgeons qui les rendent plus proches. – La déstabilisation d'une émulsion par un champ électrique : L'état de coalescence temporaire a été mis en évidence. Un diagramme de coalescence de paires a été établi. Pour des trains de gouttes, le diagramme de stabilité coïncide avec celui de paires. La seule différence est observée pour des temps d'excitation plus courts que le temps de relaxation des charges. Dans ce cas, la "coalescence partielle" est remplacée par une simple coalescence. – La caractérisation d'émulsions inverses adhésives : La technique pour former une émulsion inverse très adhésive, c'est de la former très peu adhésive et d'évaporer le bon solvant. Les bicouches artificielles formées avec ces émulsions miment presque toutes les propriétés des membranes biologique. Suivant la quantité de mauvais solvant, elles peuvent se présenter sous forme gaz, fluide ou gel. – La perméabilité des bicouches artificielles : Avec un choc osmotique, la perméabilité à l'eau de ces bicouches a été mis en évidence. Elles sont faiblement perméables aux ions. Avec un champ électrique, leur perméabilité aux ions est possible grâce à la formation de pores à travers elles. Un diagramme d'électroporation s'en est suivi. Pour les deux moteurs de perméabilité, le constat principal est la variation notable de la perméabilité instantanée lors d'une transition de phase dans les bicouches. Ces résultats sont très intéressants et montrent à quel point les émulsions en générale regorge encore de secrets. Pour les émulsions adhésives, les comportements que nous avons observés sur les trains de gouttes sont déjà très surprenants. Nous pouvons nous attendre à des comportements encore plus surprenants dans le cas d'émulsions macroscopiques. En outre, ces effets sont généralement "contre-intuitifs" : la déstabilisation d'une émulsion dense est facilitée par sa décompression ! la séparation des phases huileuses et aqueuses d'une émulsion de pétrole est optimale pour une application d'un champ électrique pas très élevé (un champ électrique élevé entraîne la "coalescence partielle" des gouttes)... Tous ces comportements "contre intuitifs" peuvent être très utiles pour des applications futures dans le domaine des matériaux. En ce qui concerne les émulsions adhésives, les résultats établis ici sont très prometteurs. Elles permettent de mimer les membranes biologiques. Grâce à la perméabilité des membranes artificielles formées, nous pouvons imaginer des gouttes, très concentrées en ions, qui seraient des pompes à solvant : elle permettraient, par exemple, de changer des concentrations de microréacteurs... En ce qui concerne l'électroporation, les expériences peuvent encore être peaufinées. La prochaine étape sera certainement de contrôler directement le potentiel des gouttes, par des pointes par exemple. Cela éviterait, en effet, leur séparation. Dans ce cas, il est clair que le mécanisme d'électroporation pourrait avoir une réelle valeur ajoutée car les réservoirs seront figés et des échanges pourraient se faire. On pourrait espérer ainsi réaliser des expériences d'insertion de molécules dans des gouttes, par électroporation, comme cela existe actuellement pour des vésicules.

Plusieurs mécanismes biologiques utilisent la polymérisation des filaments d’actine comme moteur mécanique. L’énergie chimique libérée à l’addition d’un monomère dans le filament est convertie en travail mécanique et une force est générée. Les filaments ainsi formés s’organisent grâce à des protéines liant l’actine et forment des structures qui diffèrent par leurs propriétés mécaniques et élastiques mais aussi de leurs fonctions dans les différents processus biologiques. Notre système expérimental permet d’étudier le lien entre les propriétés mécaniques et les mécanismes à l’origine de la production de la force. La polymérisation des filaments est directement initiée sur la surface de particules magnétiques. En présence d’un champ magnétique, ces dernières s’organisent en chaîne par des interactions dipôle-dipôle, et une force magnétique compressive est induite sur les filaments qui polymérisent. La polymérisation écartent les particules au cours du temps et en fonction de la force appliquée, la vitesse d’écartement des particules est ralentie. En suivant l’évolution de la distance entre particules, nous détaillons la relation force-vitesse et les propriétés mécaniques des filaments.

La nanomédecine représente le champ d’application des nanotechnologies, et plus
particulièrement des nanoparticules, à la médecine. Ce nouveau domaine est très prometteur
notamment en ce qui concerne la détection et le traitement de pathologies d’origine
infectieuse, génétique ou cancéreuse. Nous avons développé de nouvelles nanoparticules
biocompatibles et évalué leur potentiel en tant que nanocargos d’agents thérapeutiques ou
diagnostiques grâce à l’imagerie de fluorescence in vivo. Ces particules sont des nanoémulsions
de type huile dans eau, de quelques dizaines de nanomètres de diamètre, stabilisées
par une couche de surfactants composée de phospholipides et d’agents de furtivité.
L’encapsulation dans le coeur des nanoparticules de fluorophores organiques absorbant et
émettant dans les longueurs d’onde compatibles avec les dispositifs d’imagerie de
fluorescence permet de suivre leur biodistribution après injection dans des souris Nude. Ces
nano-émulsions furtives et fluorescentes peuvent également être fonctionnalisées sur leur
surface par des ligands de ciblage actifs tels que le peptide cRGD. De telles nano-émulsions
fonctionnalisées montrent in vitro une adhésion spécifique avec les cellules exprimant
l’intégrine αvβ3, un biomarqueur de l’angiogénèse. L’accumulation, passive et/ou active
médiée par les cRGD, des particules au sein de différents modèles de tumeurs sous-cutanées
implantés chez la souris Nude, est observée par imagerie de fluorescence non invasive.

Le travail de recherche exposé dans cette thèse, montre dans la premier partie la mise en oeuvre de la méthode d'émulsification pour la préparation de petits agrégats de forme anisotrope monodisperse et de forme géométrique bien définie et on a montré que la maîtrise des paramètres de la formulation permet la sélection et la production d'un maximum d'agrégats de formes données (dimère, trimère, tétramère). On a montré la faisabilité et la possibilité d'assembler tête-tête les différents types d'agrégats de façon organisée et directionnelle, grâce à la fonctionnalisation des têtes des agrégats, avec des fonctions réactives utilisant la force d'adhésion spécifique (couple biotine/streptavidine). En deuxième partie, on a fait intervenir des forces magnétiques pour forcer et accélérer le processus d'assemblage par rapport à des forces spécifiques qui sont basées sur les effets de diffusion ; on a montré la formation de chaînes colloïdales de structure variable avec la mise en évidence des effets de relaxation sur les chaînes, rotation et torsion, qui dépendent de l'intensité de champ appliqué et de la morphologie des particules (Janus avec une partie magnétique, doublets avec un anneau). Enfin, nous avons conçu des doublets asymétriques avec des anneaux magnétiques qui engendrent la formation de chaînes chirales sous forme d'hélice. Et on a mis en évidence l'analogie entre les colloïdes et les macromolécules sur le plan structural par un simple auto-assemblage.

Le domaine de l’évolution dirigée regroupe des approches technologiques s’inspirant, en laboratoire et à l’échelle moléculaire, de l’évolution Darwinienne. Grâce à des algorithmes moléculaires stochastiques, on peut ainsi améliorer des protéines existantes ou même créer de nouvelles protéines. Dans une première partie, les différentes façons de générer de la diversité génétique sont introduites, ainsi que notre contribution au développement d’une technologie de mutagenèse dirigée très haut débit (MM). En particulier, deux variants deMMsont présentés :MMC, une méthode utilisant de très larges banques d’oligonucléotides synthétisés en parallèle sur des puces à ADN et MMS, une méthode de recombinaison in vitro circulaire simple et efficace. Dans une deuxième partie, après avoir rappellé les différentes modalités de tri des protéines améliorées, on présente notre contribution au domaine naissant et prometteur du criblage haut-débit en émulsion d’activité catalytique . On décrit les premières étapes de la validation d’une méthode de criblage bidimensionnel d’une émulsion inverse cristallisable. Appliquée à l’évolution moléculaire, cette nouvelle technologie pourrait permettre d’augmenter de plusieurs ordres de grandeur le débit des meilleures techniques actuelles par cytométrie de flux. Sont également évoquées, dans une troisième partie, d’autres applications de cette technique de criblage à plat d’émulsions cristallisées dans le domaine du diagnostic et pour l’analyse du cycle cellulaire

Ce manuscrit présente une étude des cinétiques de réactions ligand-récepteur sur des surfaces en regard, fondée sur l'utilisation de particules magnétiques colloïdales. Notre démarche repose sur la mesure de cinétiques de formation de doublets indépendants de particules, déclenchée par l'application d'un champ magnétique. Ces mesures sont directement reliées aux constantes cinétiques du couple ligand-récepteur à la surface des particules magnétiques. En considérant le couple streptavidine-biotine, nous avons validé notre approche et mis en évidence une source de variabilité des constantes d'association en surface : le degré de confinement des réactifs sur les surfaces. Pour les configurations les plus rapides, nous avons appréhendé la constante d'association comme limitée par des processus de diffusion, associés à la dynamique des particules colloïdales. Pour les configurations les plus lentes, où les réactifs sont les plus confinés en surface, le ralentissement observé est attribué à une diminution de l'efficacité des rencontres entre réactifs. Nous avons également étudié la cinétique d'association entre cadhérines, molécules directement impliquées dans l'adhésion cellulaire. Nous avons mis en évidence l'influence des conditions de contact sur l'état d'adhésion entre cadhérines. Pour les deux états d'adhésion « profonds » observés, nous avons mesuré une constante cinétique d'association plus lente que celle de l'interaction streptavidine-biotine.

Nous avons exploré la capacité des émulsions à adhérer de manière spécifique à des surfaces modèles solides et notamment la relation entre la composition des gouttes à leur interface et la formation d'un angle de contact macroscopique. Nous avons développé une méthode de fonctionnalisation covalente in-situ de l'interface liquide de gouttes d'émulsion H/E par de la biotine puis par de la streptavidine. La distribution de taille et la densité de streptavidine à la surface des gouttes sont caractérisées à l'aide d'une technique originale utilisant un cytomètre à flux. Nous avons montré que l'angle de contact et l'énergie d'adhésion croissent linéairement en fonction de la densité de biotine sur la lamelle et nous avons observé une répartition spatiale différente (disque, couronne) de la streptavidine dans la zone de contact suivant la densité totale en PEG, suggérant une transition de phase à 2D.

Ce manuscrit présente l'étude de la stabilité et des propriétés d'encapsulation et de relargage des émulsions doubles cristallisables. Notre démarche a été de remplacer l'huile liquide classiquement utilisée pour les émulsions doubles par une huile solide à température ambiante. Une barrière répulsive stérique assure la stabilité de ces objets au repos. Sous écoulement, les objets s'agrègent : l'énergie fournie par le cisaillement réduit la barrière répulsive alors comparable à kT et facilement franchissable. Ceci se traduit par une dépendance exponentielle du temps caractéristique d'agrégation avec le taux de cisaillement. Sous régime iso-osmotique, la nature solide de la membrane ralentit les cinétiques de libération par diffusion des espèces initialement encapsulées. Sous régime hypo-osmotique, le matériau solide libère rapidement l'espèce encapsulée. Les processus mis en jeu et les différents paramètres permettant de contrôler les cinétiques de libération ont été identifiés.

Ce mémoire contient deux parties consacrées à deux applications des chaînes de particules magnétiques.
Le premier chapitre décrit la conception d'un capteur de forces intercolloïdales. Nous présentons différentes expériences permettant de caractériser les particules utilisées. Nous décrivons ensuite la réalisation du montage expérimental et le traitement des données. Enfin, nous comparons cette technique aux autres techniques.
Le second chapitre décrit la conception et la réalisation de nageurs à l'échelle microscopique. Nous fabriquons des filaments magnétiques flexibles en alignant des particules sous l'effet d'un champ magnétique. Les particules adjacentes sont reliées par des agents pontants. Nous avons étudié le comportement de ces filaments sous champ. Sous l'effet d'un champ magnétique oscillant, le filament se déforme : une onde se propage alors le long du filament, ce qui engendre une force propulsive, dont nous démontrons l'effet sur un nageur spermatomorphe. Enfin, nous vérifions des prédictions théoriques antérieures.

Ce manuscrit présente l'étude de latex magnétiques auto-organisés.
Dans un premier temps, l'obtention de filaments magnétiques, composées d'assemblages linéaires et permanents de particules magnétiques, est présentée. Ces objets nouveaux introduisent une méthode originale pour sonder la flexibilité à l'échelle moléculaire. Sous champ, ils adoptent une configuration métastable: ils se plient en forme d'épingle à cheveux. A partir de la mesure macroscopique de leur rayon de courbure, corrélée à la mesure par diffusion de la lumière de la longueur du lien, la rigidité de flexion de ce dernier peut être déduite. La modélisation de ce phénomène est aussi décrite.
Enfin, l'organisation de ces filaments, dans des microcanaux, constitue une nouvelle matrice de séparation que l'on a cherché à appliquer, ici, au tri cellulaire.
L'obtention d'un réseau de pas contrôlé, l'accrochage des filaments à la paroi,leur décoration par des anticorps spécifiques sont détaillés. Enfin la possibilité de procéder à une chromatographie des cellules est introduite.
Ces nouveaux objets ouvrent un champ d'applications dans le domaine des laboratoires sur puce.